Évaluation métrologique de l'étalon primaire de fréquence à atomes froids de césium FOCS-2

Ce travail de recherche s'inscrit dans la continuité des études, menées depuis 20 ans à l'Observatoire Cantonal de Neuchâtel, pour réaliser un étalon primaire de fréquence fonctionnant avec un jet continu d'atomes froids et lents. Ces développements théoriques et expérimentaux ont conduit à la construction de deux horloges à fontaine continue FOCS-1 et FOCS-2. Ce document expose les dernières améliorations et les premières mesures d'évaluation du second étalon primaire de fréquence effectuées ces trois dernières années au Laboratoire Temps-Fréquence de l'Université de Neuchâtel. <br> Dans la première partie, nous présentons le développement et l'implémentation d'une nouvelle méthode de préparation d'état utilisée pour améliorer la stabilité de fréquence à court terme de l'étalon. Nous avons montré qu'en utilisant un schéma de pompage optique à deux lasers, il est possible de combiner simultanément préparation d'état et refroidissement Sisyphe. Grâce à cette technique, nous avons réussi à préparer 60% des atomes dans le niveau

<i>F</i>=3,<i>m</i>_F=0>, soit un gain d'un facteur 6.5 du signal utile par rapport à la situation sans préparation d'état. Nous avons montré que ce nouveau schéma de pompage optique n'affectait pas le rapport signal-sur-bruit de l'horloge et nous avons mesuré une stabilité de 6•10^-14<i>τ</i>^-1/2 avec préparation d'état. Ce résultat constitue la première démonstration expérimentale que la fontaine continue n'est pas limitée par le bruit de phase de l'oscillateur local. <br> Dans la deuxième partie de cette étude, nous avons analysé et mesuré quatre effets systématiques dont l'influence ou la méthode d'évaluation sont propres au fonctionnement continu de l'horloge. Le déplacement radiatif provoqué par la lumière des faisceaux de refroidissement et le déplacement Zeeman du 2^e ordre ont ainsi été évalués avec une incertitude inférieure à 10^-15. Le déplacement de fréquence lié à la phase du mode électromagnétique présent dans la cavité micro-onde coaxiale a fait l'objet d'études préliminaires. Nous avons mis en évidence la présence d'un important gradient de phase radial dans la section des trous de passage des atomes. Si nous ne sommes aujourd'hui pas capables d'évaluer cet effet en conditions de fonctionnement, le problème a été identifié et nous pensons être en mesure de le résoudre rapidement. Finalement, nous avons cherché à mesurer la perturbation de fréquence provoquée par les interactions entre les atomes du jet continu. Bien qu'à ce jour la présence des gradients de phase limite la précision de cette évaluation, les mesures effectuées sont compatibles avec les prédictions théoriques de -3.3•10^-16. <br> En décembre 2011, la fontaine continue FOCS-2 présentait au Laboratoire Temps-Fréquence de l'Université de Neuchâtel un budget d'incertitude intermédiaire de (60.5±1.6)•10^-15.

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2012